Классификация и принцип действия магнитных усилителей

Магнитным усилителем называется усилитель электрических сигналов, действие которого основано на использовании нелинейности характеристик ферромагнитных материалов Теоретические основы электротехники (ТОЭ) КГЭУ: электронный, путеводитель. 2011. URL:http://toe-kgeu.ru/ . Магнитные усилители применяются в разнообразных устройствах: от точных измерительных приборов до схем автоматического управления крупными производственными агрегатами (прокатными станами, экскаваторами и т.п.). Широкое применение магнитных усилителей определяется рядом их достоинств:

- большим сроком службы, высокой надежностью, простотой эксплуатации;

- широким диапазоном усиливаемых мощностей: от 10-13... 10-6 Вт до несколько десятков и даже сотен кВт; постоянной готовностью к работе;

- возможностью суммировать на входе несколько управляющих сигналов;

- значительной перегрузочной способностью; пожаро- и взрывобезопасностью;

- стабильностью характеристик в процессе эксплуатации. Магнитные усилители различают по следующим признакам: виду статической характеристики - однотактные (нереверсивные) и двухтактные (реверсивные);

- способу осуществления обратной связи (ОС) - без ОС и с ОС (внешней, внутренней, смешанной);

- форме кривой выходного напряжения - с выходом на несущей или удвоенной частоте, на постоянном или выпрямляемом токе и т.д.;

- способу включения нагрузки - с последовательным и параллельным включением нагрузки и рабочих обмоток;

- числу и конструкции сердечников в однотактной схеме - с одним двухстержневым или тороидным сердечником, с двумя сердечниками, трехстержневым и четырехстержневым сердечниками;

- способу осуществления смещения - постоянным или переменным током и шунтированием выпрямителей ОС;

- режиму работы - линейные (или пропорциональные) и релейные.

Простейшие магнитные усилители без ОС выполняются в виде двух одинаковых трансформаторов. Рабочие обмотки этих трансформаторов с числом витков wр включаются последовательно с источником питания переменного напряжения U (Рисунок 1). Управляющие обмотки с числом витков wy включаются встречно относительно рабочих обмоток для устранения трансформаторной связи между цепями, образуемыми управляющими и рабочими обмотками. Усиливаемый сигнал постоянного тока Iу поступает в управляющие обмотки wy трансформаторов и вследствие нелинейного характера кривой намагничивания сердечников вызывает уменьшение их магнитной проницаемости и пропорциональное уменьшение индуктивности L1 рабочих обмоток.

Устройство, имеющее схему, приведенную на (Рисунок 1), часто называют дросселем насыщения или управляемым дросселем, так как, изменяя степень магнитного насыщения его сердечников путем подмагничивания их постоянным током, можно в широких пределах изменять индуктивность рабочих обмоток. Нагрузка RH, показанная на рисунке пунктиром, включается в цепи переменного тока параллельно или чаще последовательно с управляемой индуктивностью.

Токи I1 и I2, протекающие соответственно в рабочей и управляющей обмотках трансформаторов, создают магнитные поля, которые в течение одного полупериода переменного тока в одном из сердечников имеют одинаковые, а в другом - противоположные направления. В результате первый сердечник насыщается, а второй остается ненасыщенным. Для ненасыщенного сердечника справедливо уравнение обычного трансформатора:

(1)

где I? - намагничивающий ток трансформаторов.

При отсутствии сигнала на входе усилителя I2 = 0 и I1 = I?. В этом режиме среднее значение тока нагрузки имеет минимально возможное значение, равное току холостого хода трансформатора Iхх.

При наличии существенного сигнала Iу на входе усилителя обычно можно пренебречь слагающей I??р в правой части уравнения ампер витков по сравнению с I2wу. Тогда, интегрируя в пределах полупериода, в течение которого рассматриваемый сердечник ненасыщен, получим:

(2)

т.е. ток нагрузки в схеме на (Рисунок 1) определяется лишь током управления и конструктивными параметрами усилителя и не зависит от нагрузки.

Коэффициенты усиления по току k1 и мощности kР для простейшего магнитного усилителя определяют по формулам:

(3)

где Ry - активное сопротивление управляющий обмотки.

Существенным недостатком таких магнитных усилителей является их относительно высокая инерционность, которую обычно характеризуют постоянной времени ? цепи управления: ? = kp/4?f, где ? -КПД цепи нагрузки; f- частота источника питания. Для уменьшения инерционности магнитных усилителей применяют переменный ток повышенной частоты (400... 10 000 Гц и выше).

Наладка и ремонт магнитных усилителей

Магнитный усилитель - это электрический аппарат, в котором для усиления входного сигнала используется управляемое индуктивное сопротивление.

Программа наладочных испытаний магнитных усилителей разнообразна и зависит от требований, предъявляемых к приводам, в которых установлены магнитные усилители. Обычно это внешний осмотр, проверку электрической прочности изоляции обмоток, измерение сопротивления обмоток постоянному току, проверку полярности выводов обмоток, определение соотношения числа витков обмоток, проверку работы усилителя в номинальном режиме и в режиме максимальных эксплуатационных нагрузок.

При внешнем осмотре магнитного усилителя обращают внимание на качество шихтовки магнитных сердечников, величину воздушных зазоров, надежность болтовых соединений, крепящих магнитные сердечники, проверяют целость катушек, твердых выпрямителей и трансформаторов, входящих в блок питания магнитного усилителя. Сердечники магнитных усилителей из специальных сплавов (например, пермаллоя) при тряске и ударах в значительной степени изменяют магнитную проницаемость, поэтому их проверять необходимо осторожно.

Изоляцию обмоток магнитного усилителя испытывают совместно с цепями вторичной коммутации мегомметром на 500 или 1000 В. Величину сопротивления изоляции отдельно не нормируют, кроме специально оговоренных случаев. Она должна составлять совместно с другими вторичными цепями не менее 0,5 МОм.

Так как в магнитном усилителе отсутствуют подвижные части, он считается надежным элементом системы автоматического регулирования. Однако в процессе эксплуатации возможны различные неисправности, связанные в основном с механическими повреждениями обмоток магнитопроводов или элементов блоков питания.

Основные неисправности электроприводов с магнитными усилителями:

1. Скорость электродвигателя периодически изменяется

Возможные причины этого - для приводов ПМУ и ПМУ-М: 1) неправильно отрегулирована связь по току, 2) замыкание на корпус цепи управления (ползунка задающего потенциометра управления и т. п.), 3) периодическое изменение нагрузки (оборотная ударная нагрузка).

Для приводов ПМУ-П: 1) обрыв цепи гибкой обратной связи, 2) большой люфт в сочленении валов электродвигателя и тахогенератора.

2. Плохая жесткость механических характеристик. Причины - неправильно отрегулирована обратная связь по току или неправильно подключен задающий потенциометр.

3. Двигатель вращается с частотой выше максимальной. Скорее всего, причиной этого является обрыв цепи возбуждения. Двигатель будет также вращаться с частотой выше максимальной если при подключении перепутаны концы на наборе зажимов двигателя.

4. Не регулируется частота вращения (частота вращения мала). Электродвигатель регулируется (только на низкой частоте вращения), но нет номинальной частоты вращения или минимальной.

В большинстве случаев, это происходит из-за обрыва в цепи управления. Обрыв, естественно нужно найти и устранить. Возможен также обрыв в цепи задающего потенциометра.